鋼絲繩開裂原因分析

趙 凱，何玉懷，劉新靈

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；4.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095)

0 引言

鋼絲繩具有強度高、自重輕、承載能力大、運行平穩(wěn)、工作可靠等優(yōu)點，被廣泛應用于煤炭、冶金、石油、交通運輸、港口等國民經(jīng)濟的各個領域。服役中的鋼絲繩長時間受使用工況影響，會產(chǎn)生各種損傷，從而導致其強度降低，甚至會發(fā)生斷裂。鋼絲繩在實際使用過程中的受力狀態(tài)復雜，是拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等多重復雜應力的疊加組合。鋼絲繩內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦力和擠壓應力，隨受載條件的變化而承受交變負荷、沖擊負荷的作用。所有這些都影響鋼絲繩的強度和使用壽命。由于鋼絲繩失效斷裂機制復雜，鋼絲繩的失效研究一直受到國內(nèi)外研究者的重視[1-7]。鋼絲繩在服役中與滑輪、繩索等組成一個滑輪系統(tǒng)，承受表面間歇滾壓、摩擦(磨損)、間歇彎曲、拉直以及拉伸等交變載荷；因此，鋼絲繩除個別情況是過載斷裂外，主要表現(xiàn)為疲勞失效，具體表現(xiàn)為鋼絲繩表面磨損及鋼絲斷裂[8-11]。

飛機座艙鋼絲繩在外場使用過程中發(fā)生斷裂。該鋼絲繩在飛機艙蓋開啟和關(guān)閉時起輔助拉艙蓋作用，正常情況下，鋼絲繩承受拉應力，在飛行過程中會受到振動載荷作用。斷裂鋼絲繩于2013年裝機，2016年11月?lián)p壞，使用時長為2年多，飛行300 h左右。目前在外場的9架飛機中有4架飛機的鋼絲繩發(fā)生斷裂。該鋼絲繩材質(zhì)及加工過程未知。

本研究對鋼絲繩外觀進行觀察，對鋼絲繩鋼絲斷口進行宏微觀觀察、能譜分析和金相組織檢查。確定鋼絲繩的開裂性質(zhì)，并分析鋼絲繩的失效原因；提出改進建議，為預防此類故障的再次發(fā)生提供借鑒。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察

對4根開裂的鋼絲繩斷裂位置、斷裂鋼絲的數(shù)量占比進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1，斷裂鋼絲繩的外觀形貌如圖1所示。表1統(tǒng)計結(jié)果與圖1表明，4根鋼絲繩開裂的位置基本集中在圓柱體一端及距圓柱端2/3處，圓柱體一端為與渦卷彈簧相固定的一端，此處的鋼絲繩彎曲變形最嚴重；鋼絲繩長度的距圓柱端2/3處為與定滑輪接觸最多的位置。鋼絲繩未開裂處的股與股之間存在疑似油污的物質(zhì)，呈現(xiàn)黑色粉末狀(圖2a)。最外表面的鋼絲存在明顯的磨損痕跡(圖2b)。

1.2 斷口微觀觀察

在JSM5600LV掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌。鋼絲繩大部分的鋼絲斷口為疲勞斷口，源區(qū)位于表面，呈線源特征，源區(qū)及側(cè)表面有磨損特征，疲勞裂紋萌生于磨損處(圖3a)；疲勞擴展區(qū)可見疲勞條帶特征及二次裂紋，疲勞擴展區(qū)占鋼絲斷口面積的1/2左右(圖3b)；瞬斷區(qū)為韌窩形貌(圖3c)。此外，部分鋼絲斷口為過載斷裂，斷口微觀可見明顯的拉長韌窩(圖4)。鋼絲表面存在明顯的拉拔痕跡(圖5)。這些拉拔痕跡破壞了鋼絲表面的完整性。

圖1 失效件外觀Fig.1 Macro-morphology of the failed part 表1 各鋼絲繩失效情況統(tǒng)計Table 1 Statistical result of all the failed steel cables

FracturelocationProportionoffracturedsteelwiresSimilarityLengthofthe2/31/2Cylinderend1/2Lengthofthe1/3andthe2/31/3Lengthofthe2/3andthecylinderend4/5Usedinthesameplanefor300hours,thehardnessandtheconstituentaresimilar,therearechippingsandwearonthesurface

1.3 能譜檢測分析

對鋼絲繩斷口進行能譜成分分析，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，鋼絲表面主要成分為Zn元素，據(jù)此可以推斷鋼絲表面進行過鍍鋅處理。鋼絲斷口存在Mn、Zn元素，Zn元素應該來源于表面鍍鋅層，因此鋼絲主要成分為Mn、Fe元素，根據(jù)Mn元素的含量可大致推測鋼絲繩所用的材料為碳素鋼。

此外，對鋼絲繩股與股之間的碎屑進行能譜成分分析，結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，碎屑主要元素為C、O、Zn元素，據(jù)此推斷這些碎屑應為殘存的油污以及磨損下來的鍍鋅層。

表2 斷口能譜分析結(jié)果 (質(zhì)量分數(shù) /%)Table 2 EDS analysis results of the fractures (mass fraction /%)

圖2 鋼絲繩未斷處表面形貌Fig.2 Appearance of the outer surface

1.4 金相檢查

平行于鋼絲繩鋼絲分別制取金相試樣。磨制拋光，利用硝酸酒精腐蝕后進行金相組織觀察。鋼絲的組織為拉長的形變馬氏體，組織均勻，未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷(圖6)。

1.5 硬度檢查

平行于鋼絲繩鋼絲分別制取4個硬度試樣，磨制拋光后對各鋼絲繩的鋼絲進行顯微硬度測量，并參照GB/T 1172—1999換算成洛氏硬度，結(jié)果見表4。結(jié)果表明，鋼絲硬度不均勻，換算的洛氏硬度平均值范圍為HRC 54.58～57.64。

表3 碎屑能譜分析結(jié)果 (質(zhì)量分數(shù) /%)Table 3 EDS analysis results of the chippings (mass fraction /%)

表4 硬度測試結(jié)果Table 4 Hardness of the failed part

2 分析與討論

鋼絲繩鋼絲的組織為拉長的形變馬氏體，組織均勻，未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷。鋼絲繩鋼絲硬度不均勻，鋼絲繩換算的洛氏硬度平均值范圍為HRC 54.58～57.64，這表明該批次鋼絲繩在加工時質(zhì)量存在差異性。

鋼絲繩在飛機艙蓋開啟和關(guān)閉時只起輔助拉艙蓋作用，鋼絲繩受拉緊力作用，而且此拉緊力為靜應力。但鋼絲繩大部分鋼絲為疲勞斷裂，這表明其必然受到了交變載荷作用。飛機在工作狀態(tài)下會產(chǎn)生振動載荷，鋼絲繩不可避免地也會受到影響；因此，引起鋼絲繩疲勞斷裂的交變載荷應該來源于振動載荷與拉緊力的疊加。

圖4 斷口微觀形貌Fig.4 Microscopic appearances of the fracture

圖5 鋼絲表面形貌Fig.5 Microscopic appearances of the outer surface

圖6 鋼絲繩金相組織Fig.6 Microstructure of steel cable

鋼絲繩大部分的鋼絲為疲勞斷裂特征，疲勞擴展區(qū)面積至少占鋼絲總面積的1/3～1/2；部分斷口為過載斷裂特征。此外，外場9架飛機中有4架飛機的鋼絲繩出現(xiàn)了斷裂。通過對各鋼絲繩斷裂位置進行比較發(fā)現(xiàn)，斷裂位置基本都位于圓柱體一端或距圓柱端2/3處，距圓柱端2/3處位置應是艙蓋關(guān)閉時鋼絲繩與滑輪接觸位置，此時，鋼絲繩受振動載荷與拉緊力的疊加影響。3#鋼絲繩還在距圓柱端1/3位置處過載斷裂，這是艙蓋開啟時鋼絲繩與滑輪接觸處，此處鋼絲繩受力最大。圓柱體一端處的鋼絲由于與渦卷彈簧相接，彈簧處于卷曲時，該處的鋼絲變形最大，也是容易發(fā)生斷裂的位置。結(jié)合鋼絲繩的斷裂特征及斷裂位置，可以確定鋼絲繩受到相對較大的載荷作用，存在著安全裕度不足的問題。

鋼絲繩表面還存在較多的碎屑，這些碎屑主要成分為殘存的油污以及磨損下來的鋅層。磨損下來的碎屑可能會進一步加速磨損，破壞鋼絲的表面完整性。對鋼絲繩表面進行觀察也發(fā)現(xiàn)確實存在較為明顯的磨損。這些損傷可能會對鋼絲繩鋼絲的疲勞裂紋萌生起到促進作用。

鋼絲繩表面較為干燥。文獻[12-13]表明，潤滑狀況對鋼絲繩使用壽命有重要影響，對鋼絲繩進行系統(tǒng)維護潤滑，使之經(jīng)常處于良好的潤滑狀態(tài)，其使用壽命可延長2～3倍。潤滑不良導致鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間摩擦因數(shù)增大，使鋼絲微動磨損速率加快，潤滑失效的同時導致鋼絲被腐蝕速率加快，磨損與腐蝕均造成該處鋼絲橫截面積減小，鋼絲繩受到軸向力作用在磨損處產(chǎn)生應力集中，從而引起在磨損損傷處萌生疲勞微裂紋，顯著降低鋼絲繩使用壽命。針對鋼絲繩內(nèi)部鋼絲表面磨損采取的各類潤滑措施，是延長鋼絲繩使用壽命的新途徑[14-19]。

3 結(jié)論

1) 鋼絲繩大部分鋼絲的失效性質(zhì)為疲勞斷裂，少部分鋼絲的失效性質(zhì)為過載斷裂；

2) 鋼絲繩的失效原因主要為受載相對較大；

3) 鋼絲繩表面潤滑不足及磨損會對疲勞裂紋的萌生產(chǎn)生促進作用。

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